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Quellen/Geschichte |
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Hier werden Quellen
angegeben und ein geschichtlicher
Überblick wird geliefert.
Quellen
Abenteuer Wissen. Natur-
Wissenschaften,
Kaleidoskop Buch im Christian Verlag 2005. US-Originalausgabe: Time
Life Inc.,
2000. ( Aus dem Amerikanischen ). Weltbild Plus, € 6,95.
Lincoln Barnett: Einstein und das Universum. S. Fischer
Verlag.
Frankfurt a. M., 1951. ( Aus dem Amerikanischen ).
Das große Buch der Physik. Genehmigte Sonderausgabe, Compact Verlag, München, 2006 ?, 544 Seiten, ca. € 5,00
Duden, SMS Schnell-Merk-System,
Physik. 5. bis 10.
Klasse.
Brockhaus AG, Mannheim und PAETEC, Berlin, 2003.
Erlebnis Physik 3. Ein Lehr- und Arbeitsbuch 9./10.
Schuljahr.
Dieter Cieplik. Schroedel, 2004.
Grosses Handbuch Mathematik Physik Chemie, Buch und Zeit
Verlagsgesellschaft, Köln 2005, 1136 Seiten, ca. € 6,00.
Artur Klein: Die faszinierende Welt
der
Physik. Niedernhausen/ Ts. : Bassermann, 1990 ( Bassermann-Sachbuch )/
(
Aus dem Spanischen ).
mentor Grundwissen Physik bis zur 10. Klasse. Alle
wichtigen
Themen. mentor Verlag, München, 2003.
Hier findest Du anschauliche
Darstellungen und verständliche Illustrationen des Stoffes.
Gelungen!
Physik, Basiswissen für die Schule, Dr. Frank Boes.
Corvus
Verlag, Berlin 2000.
Schülerduden Physik 3. und 5., neu bearbeitete
Auflage.
Dudenverlag. Mannheim, 1995/2004.
Alan J. Slavin: A Brief History and Philosophy of
Physics.
Department of Physics, Trent University, June 2001. ( Auf englisch ).
Der auf englisch geschriebene 21- seitige Aufsatz verdeutlicht die Geschichte der Physik, so wie wir sie in der westlichen Welt sehen. Da Slavin die Gedanken zusammen mit seiner Partnerin Linda erarbeitet hat, kommen auch einige für die "männliche Welt" unerfreuliche Aussagen zum Vorschein. Mit Slavin siehst Du wieder einmal mehr, was das Web an Sachwissen ( Sahnestückchen ) für die internationale Gemeinschaft bereithält.
Tessloffs Schülerduden Physik.
Tessloff
Verlag, 2003. ( Aus dem Englischen ).
umwelt: physik. Ausgabe B. Ein Lern- und Arbeitsbuch.
Ernst Klett
Verlag, Stuttgart, 1997. Nachdruck 2005.
Welt der Wissenschaft, Parragon Queen Street House, UK,
2004. (
Aus dem Englischen ).
In diesem Werk geht es um Physik, aber auch Chemie und Biologie. Die vier Autoren bieten Euch eine Fundgrube des Wissens. Da ist ein übersichtliches Inhaltsverzeichnis. Der wissenswerte Inhalt wird in kleinen Häppchen vermittelt, die Abbildungen sind nicht nur informativ, sondern auch "ästhetisch schön", die Darstellung des geschichtlichen Hintergrunds ist angemessen und spannend geschrieben. Das Format ist DIN A4 und der Preis beträgt etwa 8 Euro. Wahrscheinlich ist das Druckwerk noch zu haben. Ihr würdet dieses Buch mögen!
Geschichte der Physik für die Klassen 7 bis 10.
Copyright
© Dr. Michael Willamowski
Die
Vorstellung, dass alle Stoffe aus unveränderlichen, unteilbaren
Elementen
bestehen, geht auf die antike Naturphilosophie zurück. Leukipp um 460 v.Chr., sein
Schüler
Demokrit ( 460-375 v.Chr. ) und später Epikur etwa (
341-270 v. Chr. )
haben vermutet, dass die Welt und alles darin aus kleinen Teilchen
besteht.
Diese kleinen Teilchen können wir mit unserem Auge nicht sehen.
Damit erahnten
sie als erste den Gedanken des Atoms. Diese Idee wurde von Dalton
vertieft.
Dieser begründete später die moderne chemische Atomistik.
Archimedes ( 285-212 v. Chr. ) stellte fest, dass ein Körper unter Wasser leichter ist als außerhalb. Ein Körper verliert scheinbar an Gewicht, wenn er in Wasser eintaucht. Körper erfahren in Wasser einen Auftrieb. Der Auftrieb eines Körpers in Wasser ist gleich dem Gewicht der von ihm verdrängten Flüssigkeit.
Archimedes löste physikalische Probleme bereits mithilfe mathematischer Formulierungen.
Bei der Eroberung von Syrakus durch die Römer wurde Archimedes von
einem
Soldaten erschlagen.
Schon Aristoteles ( 384-322 v. Chr. ) setzte sich mit den
Grundfragen
der Physik auseinander. Aristoteles versuchte darzustellen, "warum"
Sachen so passieren wie sie passieren. Die Schriften des Aristoteles
hatten
später auch großen Einfluss auf die Beschreibung der
Naturvorgänge im
Mittelalter. Man fragte damals noch nicht so sehr danach, ob es richtig
sei,
was man lehrte. So vertrat Aristoteles die Lehrmeinung, dass im Himmel
andere
Gesetze gelten als auf der Erde. Er glaubte an die vier erdnahen
Elemente:
Erde, Wasser, Luft und Feuer. Jedes dieser Elemente nahm einen
natürlichen
Platz gemäß seinem Gewicht ein. Die Erde als das schwerste
Element
"wollte" der Mittelpunkt des Universums sein. Wasser lag über der
Erde und Luft schwebte noch darüber. Aber über allem lag das
Feuer. Feste
Körper fielen demnach zu Boden, weil sie aus irdischem Material
bestehen und
deren natürlicher Platz die Erde, der Mittelpunkt der Welt
war. Aus der
damaligen Sicht der gebildeten Griechen ist ihm sicherlich zugestimmt
worden.
Sie haben diese Auffassungen als wahr angenommen.
Nikolaus
Kopernikus ( 1473-1543 ) schlug
eine
Theorie vor, nach der sich die Erde und andere Planeten um die Sonne
drehen.
Seine Idee war seinerzeit so revolutionär, dass Kopernikus erst
auf dem
Sterbebett eine Veröffentlichung wagte.
Giordano Bruno ( 1548-1600 ) erweiterte die Lehren des
Kopernikus zum
Weltbild. Er lehrte eine unendliche, von einer göttlichen Urkraft
beseelte,
harmonisch geordnete Vielheit von Welten. Er sah eine Lebenseinheit von
Gott
und der Allheit der Dinge. Weil er diese Überzeugung, die der
kirchlichen
Lehrmeinung widersprach, nicht zurücknahm, fand er den Tod als
Ketzer auf dem
Scheiterhaufen in Rom.
Johannes Kepler ( 1571-1630 ) glaubte wie Kopernikus, dass die
Erde und
die anderen Planeten um die Sonne kreisen. Er berechnete die
Umlaufbahnen der
Erde und die der anderen Planeten. Kepler fand die drei Gesetze der
Planetenbewegung, die nach ihm benannt sind. Mit Astrologie hat Kepler
nicht
nur seine Kasse aufgebessert, damit hat er seinen Lebensunterhalt
verdient. Die
Astrologie nicht sein Genie diente ihm zum Überleben.
Während der
Völkerwanderung und
der darauf folgenden unruhigen Zeiten ging bei uns alles verloren, was
die
Griechen und Römer an naturwissenschaftlichen Kenntnissen besessen
hatten. Etwa
um das Jahr 1000 setzte eine Wiederentdeckung und Weiterentwicklung der
Physik
ein. Über diesen Umweg wurde in Europa nach einem Jahrtausend
wieder bekannt,
was die Griechen von der Natur längst wussten.
Galileo Galilei ( 1564-1642 ) beobachtete als Erster den Himmel
mit
einem Teleskop, das er nach der Beschreibung anderer nachgebaut hatte.
Er sah
als Erster Berge auf dem Mond, die Monde des Jupiter und Sonnenflecken.
Auch
entdeckte er viele Geheimnisse von Schwerkraft (Gravitation) und
Beschleunigung. Im Gegensatz zu Aristoteles versuchte Galilei zu
erklären,
"wie" die Dinge passieren. Er verließ sich dabei auf das
Experimentieren, um die "Wahrheit" herauszufinden. So wies Galilei
experimentell nach, dass alle Körper mit der gleichen
Geschwindigkeit fallen,
wenn das Ganze in einem (künstlichen) luftleeren Raum geschieht.
Wegen seiner
Unterstützung der Ideen des Kopernikus sah die damalige
katholische Kirche in
Galilei eine Bedrohung. Er wurde als Ketzer angeklagt. Angesichts des
Todes
widerrief Galilei deshalb mit 68 Jahren seine Theorien. Auf diese Weise
konnte
er der Folter und Hinrichtung entgehen.
Isaac Newton ( 1642-1727 ) verdanken wir u. a. die drei Axiome der Mechanik
und das
Gesetz der Gravitation. Das letztere erklärt, welche Kräfte
die Monde und
Planeten auf ihre Umlaufbahnen zwingen. Newton fand heraus, dass sich
alle
Körper gegenseitig anziehen. Dieses Gesetz ist allumfassend. Es
beeinflusst
alles im Universum: Atome, Wasser, Erde, Sonne, Mond und Sterne.
Die
Gravitation, auch Schwerkraft genannt, ist eine Eigenschaft jeder
Materie. Sie
hat nichts mit elektrischen und magnetischen Kräften zu tun.
Newton, der im englischen Cambridge die Wissenschaft erlernte, hat
Ideen von
Galilei aufgegriffen und fortgeführt. Newtons Entdeckungen haben
zu einem
damals neuen mechanischen Weltbild von Kräften, Druck und
Gegendruck,
Spannungen, Schwingungen und Wellen geführt. In der Neuzeit geriet
das gesamte
Gebäude der mechanistischen Newtonschen Vorstellungen ins Wanken.
Es zeigte
sich, dass es aber unter alltäglichen Bedingungen seine
Gültigkeit behält. Bis
zum Jahre 1900 waren die drei Axiome Newtons die einzige Grundlage
für die
damalige Mechanik und die unterschiedlichsten Phänomene.
Parallel zu Newton entwickelte Gottfried Wilhelm Leibniz (
1646-1716 )
die Integralrechnung und Differenzialrechnung. Er perfektionierte
Pascals
Rechenmaschine. Woraufhin diese die vier Grundrechenarten Addition,
Subtraktion, Multiplikation und Division beherrschte. Leibniz war wie
Newton
ein universal gebildeter Gelehrter seiner Zeit. Er entfaltete auch als
Philosoph
eine vielseitige Tätigkeit. So kam er damals zu der
Überzeugung, dass alle
Eigenschaften der uns umgebenden Welt nur in unserem Bewusstsein
existiere. Sie
sind ein Bauwerk menschlicher Sinne. Ähnliche und verwandte Ideen
wurden später
in Einsteins Relativitätstheorie wieder aufgegriffen und
entwickelt und
gelangten dort zu Bedeutung.
Eine Zusammenarbeit und ein Gedankenaustausch, wie es heute
möglich wäre, fand
zwischen den beiden Universalgelehrten, Newton und Leibniz, seinerzeit
nicht
statt.
Christiaan Huygens ( 1629-1695 ) entdeckte die Ringe des Saturn. Er wandte
Galileis
Forschungsergebnisse über das Pendel auf die Zeitmessung an.
Huygens
entwickelte damit die erste genau gehende Pendeluhr. Im Jahr 1678
entwickelte
er eine Theorie nach der sich Licht in Wellenform ausbreitet. Auch wenn
seine
Vorstellungen teilweise widerlegt wurden, so regte seine Arbeit andere
an und
seine Grundidee half bei der Erforschung des Lichts weiter. Im
Gegensatz zu
Huygens entwickelte Newton ein Teilchenmodell des Lichts. Newton (
original
übersetzt ): "Man kann sich das Licht auch als Teilchen
vorstellen".
Diese Teilchen durchfliegen den Raum mit großer Geschwindigkeit
und breiten
sich geradlinig aus. In der modernen Physik haben beide Theorien je
nach den Gegebenheiten
ihre eigene Berechtigung.
Zusammen mit Willebrord Snellius ( 1580-1626 ) und René
Descartes (
1596-1650 ) baute Huygens die Optik aus. Snellius untersuchte die
Lichtbrechung. Er entdeckte, dass jedes Material das Licht anders
bricht. Je
stärker die Brechung, desto größer ist auch sein
Brechungsindex.
Descartes machte sich Gedanken darüber, was wir überhaupt
wissen oder glauben
zu wissen. Später wird er von der Nachwelt als erster kritischer
und
systematischer Denker der Neuzeit anerkannt.
Newton hat auch auf weiteren Gebieten der Optik geforscht. Dazu
gehörten
Untersuchungen der Lichtbrechung und der Spektralfarben und deren
Berechnung.
Mit seinem Spiegelteleskop konnte Newton die Jupitermonde entdecken.
Robert Hooke ( 1635-1703 ) nahm an, dass das Licht aus
Energiewellen
besteht. Er verbesserte ein Lichtmikroskop, was dem heutigen schon sehr
ähnlich
ist. Es hatte damals schon eine Objektivlinse und eine Okularlinse
(Lupe). Mit
diesem Mikroskop entdeckte Hooke die Poren der menschlichen Haut. Auch
Pflanzenzellen
hat er damit untersucht. Uns ist Hooke heute vor allem durch das
Hookesche
Gesetz bekannt. Dieses sagt etwas darüber aus, wie eine
Metallfeder potentielle
Energie speichert, wenn man sie auseinander zieht.
Otto von Guericke ( 1602-1686 ) saugte mit einer Luftpumpe zwei Halbkugeln aus
Kupfer so
gut wie luftleer. Der äußere Luftdruck presste diese
daraufhin so stark
zusammen, dass sie auch durch die Zugkraft von 16 Pferden nicht
auseinander
gerissen werden konnten. Sie fielen aber von selbst auseinander, sobald
die
Luft im Inneren eingeströmt war. Jahrhunderte lang vertrat man die
Ansicht,
dass es in der Natur kein Vakuum geben könne. Nach den
mittelalterlichen
Vorstellungen dulde die Natur nämlich keinen leeren Raum. Die
Natur habe einen
Schrecken vor dem Leeren. Otto von Guericke diente über 30 Jahre
in Magdeburg
als Bürgermeister. Im Jahre 1681 zog er nach Hamburg, wo er
dann 1686
starb.
Etwa zur selben Zeit maß Evangelista Torricelli ( 1608-1647 )
den
Luftdruck, er erzeugte ein Vakuum und erfand das
Quecksilber-Thermometer. Blaise
Pascal ( 1623-1662 ) maß die Abnahme des Luftdrucks mit
der Höhe. Er
zeigte außerdem, dass von einem Gefäß umschlossene
Gase oder Flüssigkeiten mit
gleichem Druck in alle Richtungen nach außen pressen. Und bei
einer
hydraulischen Presse wird der Druck eines kleinen Druckkolbens in den
vielfachen Druck des großen Presskolbens umgewandelt.
Zusätzlich erfand Pascal vor mehr als 300 Jahren, etwa im Jahre
1645, die erste
Rechenmaschine. Sie konnte "nur" zusammenzählen und abziehen.
An die Entdeckung von Guericke schloss sich die Untersuchung der
Beziehung
zwischen Druck und Volumen durch Robert Boyle ( 1627-1691 ) und
Edme
Mariotte ( 1620-1684 ) an. Boyle entdeckte, dass bei gleich
bleibender
Temperatur der Druck eines Gases im umgekehrten Verhältnis zu
seinem Volumen
steht. Presst man also ein Gas auf die Hälfte seines Volumens
zusammen, dann
verdoppelt sich sein Druck. Auch Mariotte fand dieses Gesetz
unabhängig von
Boyle 14 Jahre später.
Gegen Ende des Jahrhunderts entdeckte Denis Papin ( 1647-1712 )
die
Wirkung des Dampfdrucks und schuf damit die erste Voraussetzung zur
Erfindung
der Dampfmaschine. Für seine Dampfmaschine fand er bei seinen
Mitmenschen
seinerzeit keine Unterstützung. Seine Familie und er gerieten in
Not.
Wahrscheinlich ist Papin 1712 gestorben.
Dampfmaschinen
arbeiten mit
Wasser. Kohle liefert die nötige Energie. Das Wasser wird erhitzt.
Der
Wasserdampf erzeugt Druck in einem Zylinder. Der Druck setzt Kolben und
Stange
in Bewegung. Diese bringt dann die Räder einer Maschine zum Laufen.
Die ersten Thermometer
wurden in
Florenz von Schülern Galileis um 1650 angefertigt. Der
Glasbläser Daniel
Gabriel Fahrenheit (
1668-1736 ) war der Erste, der sie handwerksmäßig mit
einer von ihm
ersonnenen Eichung herstellte. Er erkannte, dass sich Quecksilber
gleichmäßiger
ausdehnt als Alkohol. Fahrenheit setzte das Thermometer auch zur
Höhenmessung
ein. Er stellte zudem ausgezeichnete Barometer und damals neuartige
Aräometer
her.
Aräometer sind
Geräte zur
Bestimmung des spezifischen Gewichts von Flüssigkeiten. Dabei wird
die
Eintauchtiefe des Geräts in die Flüssigkeit abgelesen.
Aräometer werden auch
Senkwaagen genannt.
Anders Celsius ( 1701-1744 ) führte eine eigene
Temperaturskala ein.
Celsius hatte selbst 100 Grad für den Eispunkt und 0 Grad für
den Siedepunkt
des Wassers vorgeschlagen! Der Botaniker Linne kehrte als erster diese
Einteilung der Skala um. So wurden die heute gebräuchlichen
Fixpunkte des
Thermometers festgelegt.
René-Antoine Réaumur ( 1683-1757 ) erfand ein
Thermometer mit einer 80
Grad-Skala. Bei dieser liegt der Gefrierpunkt bei 0 Grad und der
Siedepunkt bei
80 Grad.
Die Wärmemenge zu messen, lehrte als erster der Schotte Joseph
Black (
1728-1799 ). Bei seinen Versuchen ging er von der Wärmemenge
aus, die
erforderlich ist, um die Temperatur eines Körpers um einen Grad zu
erhöhen.
Diese Wärmemenge nennen wir heute die spezifische Wärme oder
die spezifische
Wärmekapazität.
Julius Robert Mayer ( 1814-1878 ) leitete 1842 aus einem medizinischen Befund die
Vorstellung ab, dass mechanische Arbeit und Wärme miteinander
verwandt seien.
Sie können sogar vollständig ineinander umgewandelt werden.
Auf diese Weise
formulierte Mayer den Satz von der Erhaltung der Energie. Das ist der
1.
Hauptsatz der Wärmelehre.
Lange musste Mayer um die Anerkennung seiner Forschungsergebnisse
kämpfen.
Selbst als James Prescott Joule ( 1818-1889 ), der
Begründer der
Wärmelehre, Mayers Überlegungen bestätigte, wurden seine
Leistungen nicht
beachtet. Joule selbst kam bei seinen Versuchen zu der bedeutenden
Ansicht,
dass Wärme kein Stoff, sondern als die Energie der bewegten
Teilchen eines
Körpers anzusehen ist.
Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-183 ) fand heraus,
dass Wärme nicht
von selbst von einem kälteren auf einen wärmeren Körper
übergehen kann. Diese
Erkenntnis nennen wir heute den 2. Hauptsatz der Thermodynamik.
Zu der bisher erwähnten Entwicklung trug Rudolf Julius Emanuel
Clausius (
1822-1888 ) entscheidend bei. Er fasste den Entropiebegriff.
Clausius
erkannte, dass ein spontan in der Natur ablaufender Prozess mit einem
Anwachsen
der Entropie verbunden ist. Die Entropie nimmt also ständig zu.
Clausius ist
ziemlich unbeeinflusst von seinen geistigen Vorgängern zu dieser
Entdeckung
gelangt. Die quantitative Formulierung des 2. Hauptsatzes führte
dann zu
einer für alle Vorgänge und alle Zeiten endgültigen
Fassung. Die
Hauptsätze der Thermodynamik und die drei newtonschen Axiome
bilden die
gemeinsame Grundlage zum Verständnis der klassischen
Wärme-Physik. Sie sind
von großer Bedeutung.
Ein Mitbegründer von kinetischer Gastheorie, Thermodynamik und
statistischer
Physik ist Ludwig Boltzmann ( 1844-1906 ). Nach ihm ist die
Boltzmann-
Konstante genannt. Sie hat das Formelzeichen "k" und ist der
Umrechnungsfaktor zwischen der absoluten Temperatur in Kelvin und der
Energie
in Joule. Boltzmann deutete die Entropie als ein Maß für die
Unordnung eines
Systems. Nachfolger Boltzmanns haben auf dieser Grundlage aufbauend
später die
Quantenmechanik zur Quantenstatistik ausgebaut.
James Clerk Maxwell ( 1831-1879 ) erforschte die Beziehung zwischen
Elektrizität und
Magnetismus. Seine Berechnungen zeigten, dass sich elektromagnetische
Wellen
mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Er schloss daraus, dass auch Licht
aus
elektromagnetischen Wellen bestehen muss. Seine Ideen konnten von ihm
sogar
mathematisch untermauert werden. Er verdeutlichte die Merkmale von
Licht auf
mathematischem Wege. Maxwell vereinigte Elektrizität und
Magnetismus zu einer
elektromagnetischen Theorie des Lichts. Alle bekannten elektrischen und
magnetischen Phänomene werden durch ( nur vier ) Gleichungen
genauestens
beschrieben. Im Jahre 1861 gelang Maxwell die erste Farbfotografie. Er
lichtete
ein Stück Schottentuch ab.
Noch vor Maxwell hatte Thomas Young ( 1773-1829 ) die
Wellenlänge des
Lichts berechnet. Er fand auch heraus, wie sich Wellen überlagern
oder stören.
Das bezeichnen wir als Interferenz. Fresnel ( 1788-1827 )
vollendete die
Wellentheorie des Lichts auf mathematischer Grundlage. Fresnel verband
die
huygenschen Wellen-Betrachtungen des Lichts mit den
Interferenz-Überlegungen
zur Überlagerung gleichartiger Wellen.
Heinrich Hertz ( 1857-1894 ) wies im Jahre 1887 als erster
experimentell
die von Faraday und Maxwell vermutete Gleichartigkeit der
elektromagnetischen
Wellen mit den Lichtwellen nach. Hertz war auch der erste
Experimentator, der
in einem Laborversuch Funkwellen erzeugte. Die Einheit für die
Frequenz ist
nach ihm benannt. Wir verwenden sie für Schallwellen, aber auch
für Funkwellen,
Lichtwellen und andere Wellen.
Im Jahre 2007 wurde für Heinrich Hertz in Hamburg, seiner Geburtsstadt, eine Gedenktafel eingeweiht.
Hans Christian Oersted ( 1777-1851 ) entdeckte im Jahre 1820, dass ein
stromdurchflossener Draht
eine Kompassnadel ablenken kann. Damit erkannte Oersted, dass der
fließende
Strom Magnetismus erzeugt. Er war der Erste, der diesen
elektromagnetischen
Effekt entdeckte. Damit wurde die Voraussetzung geschaffen, um
später
Elektromotoren konstruieren zu können. Vor allem Ampere baute
Oersteds Ideen
dann weiter aus. Oersted setzte sich für die Verbreitung
wissenschaftlicher
Erkenntnisse ein. Auch gründete und förderte er Schulen. In
den USA werden
Lehrer mit der Oersted- Medaille für herausragende Leistungen im
Physikunterricht ausgezeichnet.
Begonnen hatte die Erforschung der Wirkungen des elektrischen Stromes
u. a.
durch den italienischen Arzt und Naturforscher Luigi Galvani (
1773-1798 ).
Dieser entdeckte bei Versuchen mit Froschschenkeln das nach ihm
benannte
galvanische Element. Als galvanisches Element bezeichnet man heute eine
Stromquelle, deren elektrische Energie aus chemischen Umsetzungen
gewonnen
wird.
Ein Landsmann von Galvani gab im Jahre 1794 die geeignete
Erklärung für
Galvanis Versuch: Alessandro Volta ( 1745-1827 ) fand heraus,
dass
zwischen zwei Leitern wie Metall oder Kohle, die durch einen
Elektrolyten
getrennt sind, stets eine elektrische Spannung entsteht. Die nach ihrem
Erfinder benannte Zelle liefert im Gegensatz zu einer Funkenentladung
einen
fließenden Strom. Diese voltaische Zelle nennen wir heute
Batterie. Damit war
zum ersten Mal eine verlässliche Quelle für den elektrischen
Strom verfügbar.
Zudem entstanden durch diese Erkenntnisse neue
Forschungsrichtungen, die
viele weitere Erfindungen nach sich zogen.
Ein Elektrolyt ist
eine
Verbindung, die in Wasser geschmolzen oder gelöst, Strom leitet.
Humphry Davy ( 1778-1829 ) untersuchte Säuren und Basen. Er
mischte
diese und ermittelte die entstehenden Reaktionsergebnisse. So half er
die
Elektrochemie zu entwickeln. Diese ist ein Teilgebiet der
physikalischen
Chemie. In der Elektrochemie werden die Wechselwirkungen von chemischer
und elektrischer
Energie erkundet. Chemische Verbindungen lassen sich z.B. durch
elektrischen
Strom zersetzen.
Im Jahre 1815 erfand Davy eine Sicherheitslampe für Bergleute. Sie
gibt Licht
in Kohlebergwerken, ohne dabei explosives Gas zu bilden. Diese
Grubenlampe
schützt den Bergmann gegen Schlagwetter-Explosionen.
Seit der
Forschungstätigkeit von Charles Auguste
Coulomb (
1736-1806 ) wurden in der Elektrizität große
Fortschritte erreicht; denn
bis dahin war die Elektrizität nur "Ausstellungsobjekt" gewesen.
Coulomb
studierte die Anziehung und Abstoßung von Magneten und
Körpern mit
elektrostatischer Ladung. Er erfand eine Drehwaage mit deren Hilfe man
geringe
Kräfte exakt messen konnte. Das gelang durch ein sich drehendes
Drahtstück.
Außerdem ermittelte Coulomb ein Gesetz, wonach Magnetkräfte
proportional zum
Quadrat des Abstandes zwischen zwei magnetischen Objekten abnehmen.
Dieses
Gesetz gilt gleichermaßen auch für elektrische Kräfte.
Andre Marie
Ampère ( 1775-1836
) griff die Betrachtungen von Coulomb auf. Er stellte fest, dass
die Stärke
eines Magnetfeldes um einen Draht herum von der Menge des durch den
Draht
fließenden elektrischen Stroms abhängt. Auch vom Abstand zum
Draht ist dieses
Magnetfeld abhängig. Bei seinen Experimenten kam Ampere auf die
Idee, einen
Draht zu einer Spule zu wickeln. Ampere konnte damit die magnetische
Kraft
erhöhen. Außerdem hat Ampere die Stromrichtung in der Weise
festgelegt, wie wir
sie heute noch gebrauchen.
Georg Simon Ohm ( 1798-1854 ) fand einige Jahre später im
Jahre 1826 das
nach ihm genannte Grundgesetz der Elektrotechnik. Auch die Bedeutung
dieses
Gesetzes wurde erst allmählich erkannt. Ohm bewies, dass sich
selbst die besten
Leiter dem Stromfluss bis zu einem gewissen Grad widersetzen. Nach ihm
heißt
das Maß für den elektrischen Widerstand "Ohm". Das Ohmsche
Gesetz
besagt, dass die Stromstärke in Ampere proportional zur Spannung
in Volt ist:
"Volt = Ampere mal
Ohm".
Die wissenschaftliche
Anerkennung
für seine Leistung blieb Ohm lange verwehrt. Erst als in
Frankreich Forscher
herausfinden, was Ohm schon vorher entdeckt hatte, erkennt man die
praktische
Bedeutung seiner Entdeckung auch in Deutschland. Im Jahre 1841
erhält der
inzwischen 52-jährige Ohm von der Londoner wissenschaftlichen
Gesellschaft die
goldene Copley- Medaille.
Ausschlaggebend für die weitere inzwischen viel versprechende
Entwicklung der
Elektrizität waren die Überlegungen von Michael Faraday (
1791-1867 ).
Er erkannte die Bedeutung des elektrischen und magnetischen Feldes. Die
"Feldvorstellung" sollte sich später als eines der
mächtigsten
Konzepte für die moderne Physik erweisen. Eine seiner weiteren
Beobachtungen
war die des induzierten Stroms im Jahre 1851. Eine Betrachtung, welche
35 Jahre
später Werner von Siemens ( 1816-1892 ) im Jahre
1866 zum ersten funktionierenden
elektrischen Generator führte. Faraday erklärte dann
weiterhin die Vorgänge der
elektrischen Leitung in einem Elektrolyten durch Wanderung der
geladenen Atome.
Diese nannte er Ionen.
An der herausragenden Entwicklung von Faraday war Davy nicht
unbeteiligt.
Faraday hörte Vorträge von Davy. Er machte sich Skizzen von
dem Gehörten und
fügte eigene Gedanken den Arbeiten von Davy hinzu. Auch wurde er
als Davys
Assistent und Mitarbeiter eingestellt. In den Weihnachtsferien 1860
hielt
Faraday in London wissenschaftliche Vorträge für Jugendliche.
Faradays
Ausführungen waren einfach und verständlich, eben genial.
Faraday war ein
Forscher, dessen Kenntnisse vor allem auf der Beobachtung von Tatsachen
beruhten.
Das Periodensystem der
Elemente,
wie wir es heute verstehen, wurde 1868 von Dimitri Mendelejew (
1834-1907 )
entwickelt. Dabei griff Mendelejew auf Erkenntnisse von Dalton
zurück.
Mendelejew schrieb die Eigenschaften und Merkmale der ihm bekannten
Elemente
auf ein Kärtchen und ordnete diese dann auf verschiedene Weise an.
So kam er
auf eine Anordnung in Spalten. Spalten sind senkrechte Reihen. Er
stellte fest,
dass die Elemente einer Spalte jeweils ähnliche Merkmale besitzen.
Das heißt
sie haben ähnliche chemische und physikalische Eigenschaften. In
seinem
Periodensystem reservierte Mendelejew also freie Plätze für
solche Elemente,
deren Existenz er voraussagte. Als die fehlenden Elemente später
entdeckt
wurden, hatten sie tatsächlich die von Mendelejew vermuteten
Eigenschaften.
Lothar Meyer ( 1830-1895 ) stellte im Jahre 1869 unabhängig
von
Mendelejew auch "das" Periodensystem der Elemente auf.
Moseley ( 1887-1915 ) konnte dann 1913 die endgültige, noch
genauere
Reihenfolge der Elemente experimentell festlegen. Er erkannte, dass die
Reihenfolge von den Ordnungszahlen bestimmt wird. Die Ordnungszahl ist
die
Anzahl der Protonen in einem Atomkern. Protonen sind positiv geladene
Elementarteilchen.
Schon früher, im Jahre 1802, erkannte John Dalton ( 1766-1844 ),
dass
jedes chemische Element aus winzigen Teilchen, den Atomen, besteht. Die
Atome
eines Elements sind gleich; sie unterscheiden sich aber von anderen
Elementen.
Dalton gab 30 Elementen einen Namen. Zu den weiteren Entdeckungen
Daltons
gehört das für die Chemie wichtige Gesetz der multiplen
Proportionen aus dem
Jahre 1803. Es besagt, dass wenn zwei Elemente Verbindungen miteinander
eingehen, die Massen in diesen Verbindungen zueinander im
Verhältnis kleiner
ganzer Zahlen stehen.
Antoine Laurent Lavoisier ( 1743-1794 ) führte bei seinen
chemischen
Versuchen die systematische Verwendung der Waage ein. Damit hielten
"quantitative Methoden" ihren Einzug in die Chemie. Schon im Jahr
1787 entwickelte er erstmals ein System, in dem er jedem chemischen
Element ein
Symbol zuordnete. Das Symbol jedes Elements bestand bei ihm aus einem
oder aus
zwei Buchstaben. Diese bildeten meist eine Abkürzung des vollen
Namens. Im
Jahre 1789 veröffentlichte Lavoisier das Postulat von der
"Erhaltung der
Materie" bei chemischen Reaktionen. Seine Versuche wurden von seiner
Frau
Marie- Anne unterstützt, die ebenfalls eine hervorragende
Chemikerin war.
Zur Zeit der französischen Revolution arbeitete Lavoisier
außerdem als
Generalpächter für die Steuer. Wegen der damaligen
unglücklichen politischen
Verhältnisse musste er am 8. Mai 1794 unter der Guillotine sterben.
Im Jahre 1802 kam
Dalton s. o. (
siehe oben ) zu der Überzeugung, dass die Atome die kleinsten
Teilchen der
Materie seien und sich nicht weiter aufspalten ließen.
Spätere Untersuchungen
führten dann zu der Vermutung, dass dies nicht stimme. Im Jahre
1911
bewies Ernest
Rutherford (
1871-1937 ), dass Atome tatsächlich aus weiteren Einzelteilen
bestehen. Er
nahm an, dass sich im Inneren des Atoms ein schwerer Kern befindet, um
den
leichtere Teilchen, die Elektronen, unregelmäßig kreisen.
Der positiv geladene
Atomkern hält sich im Mittelpunkt des Atoms verborgen. Um diesen
bewegen sich
negativ geladene Elektronen auf Kreisbahnen und Ellipsenbahnen. Genau
so wie
Planeten um die Sonne wandern. So wurde Rutherford einer der
Begründer der
Kernphysik. Außerdem stellte Rutherford im Jahre 1903 eine
Theorie für den
radioaktiven Zerfall auf.
Niels Hendrik David Bohr ( 1885-1962 ) knüpfte an die Ideen
von
Rutherford an und kam 1913 zu der Ansicht, dass die Elektronen
bestimmte Abstände zum
Kern einhalten. Sie kreisen strahlungsfrei auf bestimmten Bahnen, den
Schalen,
um den Kern.
Im Jahre 1932 stellte James Chadwick ( 1891-1974 ) die Existenz
von
ungeladenen Teilchen fest. Diese nannte er Neutronen. Die drei
Bausteine des
Atoms das Proton, das Neutron und das Elektron wurden zusammenfassend
als
Elementarteilchen bezeichnet. Chadwick verbesserte wesentlich das
Atomkernmodell. Im Jahre 1939 erbaute er das erste britische Zyklotron.
Ein
Zyklotron ist ein Teilchenbeschleuniger, der geladene Teilchen vom
Zentrum
eines Magnetfeldes aus auf einer Spiralbahn beschleunigt.
Erwin Schrödinger ( 1878-1961 ) und Paul Adrien Maurice Dirac
( 1902-1984 )
entwickelten den Begriff der "Aufenthaltswahrscheinlichkeit" für
das
Elektron. Nach diesem Modell umlaufen die Elektronen den Atomkern nicht
in
scharf definierten Bahnen. Es gibt für die Elektronen- Wellen nur
eine so
genannte Aufenthaltswahrscheinlichkeit.
Wilhelm Conrad Roentgen ( 1845-1923 ) entdeckte 1895 die später nach ihm
benannten Röntgenstrahlen.
Röntgen erhielt für seine Leistung als erster den
höchsten möglichen Preis, den
Nobelpreis für Physik im Jahre 1901. Röntgenstrahlung
gehört zur ionisierenden
Strahlung und führt damit zu einem Strahlenrisiko. Durch diese
Strahlung können
krankhafte Reaktionen des Körpers verursacht werden. In der
Medizin dienen
Röntgenstrahlen auch zu diagnostischen Zwecken. Gegen
unerwünschte Strahlung
schützen Bleischirme. Röntgenstrahlen sind unsichtbare
elektromagnetische
Wellen. Sie können aber auf Leuchtschirmen und photographischen
Platten
sichtbar gemacht werden.
Antoine Henri Becquerel ( 1852-1908 ) entdeckte 1896 die
Radioaktivität.
Er legte eine uranhaltige Substanz in die Nähe einer Glasplatte,
die mit
lichtempfindlichen Chemikalien beschichtet war. Die Platte wurde
überraschenderweise dunkel und trüb, obwohl sie umwickelt und
keinem sichtbaren
Licht ausgesetzt war. Ursache für diese Erscheinung lag in der
radioaktiven
Strahlung des Urans. Becquerel erforschte auch die Fluoreszenz. Er
baute einen
Vorläufer der heutigen Leuchtstofflampen. Die uns heute bekannten
Röhren
konnten erst um 1930 entwickelt werden.
Marie Curie ( 1867-1934 ) erfuhr, dass Uran seltsame Strahlen
produziert. Daraufhin testete sie viele Stoffe, die ebenfalls Strahlen
aussenden. Marie Curie prägte den Begriff "Radioaktivität ".
Radioaktivität beschreibt die Energien, die von strahlenden
Stoffen abgegeben
werden. Marie Curie entdeckte zwei neue radioaktive Elemente. Das eine
heißt
"Radium" ( das Strahlende ) und das andere nannte sie nach ihrer
unterdrückten Heimat "Polonium". Sie hatte ihr Verfahren zur
Radium-
Gewinnung nicht patentieren lassen. Sie wollte aus ihrer Leistung
keinen Gewinn
erzielen. Alle Ergebnisse wurden sofort der Öffentlichkeit
zugänglich gemacht.
Mit Erfolg konnte Radium hergestellt und zur Krebsbehandlung eingesetzt
werden.
Für ihre bahnbrechenden Ergebnisse erhielt sie den Nobelpreis
für Physik im
Jahre 1903 und den Nobelpreis für Chemie 1911. Sie war
überhaupt die erste
Frau, die einen Nobelpreis erhielt.
Marie Curies Tochter Irène Joliot-Curie ( 1897-1956 )
und deren Mann Frédéric
Joliot-Curie (1900-1958) sind Mitentdecker des Neutrons und der
künstlichen
Radioaktivität. Sie erhielten im Jahre 1935 gemeinsam den
Nobelpreis für
Chemie.
Albert Einstein ( 1879-1955 ) stellte Überlegungen zu den
verschiedensten Bereichen wie
Kräften, Teilchen, Raum und Zeit an. Für uns geschehen
Zeitabläufe immer nur in
eine Richtung. Die Zeit vergeht aus der Vergangenheit heraus vom Jetzt
ins
Später. Die Zeit ist für unsere Vorstellung nicht umkehrbar.
Das leuchtet ein,
und das vermuten wir schon auch wegen der Nichtumkehrbarkeit von
Wärmeprozessen. Die oben erwähnte Entropie ist ein Beispiel
dafür. Muss das
aber für alle Naturgesetze so sein? Um neuartige Erkenntnisse
über die Natur zu
erlangen sind seit jeher auch ungewöhnliche Spekulationen
angebracht. In einem
Gedankenexperiment könnten wir die Zeit mal zurücklaufen
lassen. Die
Pendelgesetze gelten ja, egal ob die Zeit nun rückwärts oder
vorwärts verläuft.
Einstein zeigte nun, dass wir nicht annehmen dürfen, unser
subjektives
Gefühl für das Jetzt gelte auch für alles Andere im
Universum. Gut geläufig
sind uns die drei Dimensionen Länge, Breite und Höhe. Auch
ein
dreidimensionales, rechtwinkliges Koordinatensystem mit x, y, und z-
Achse ist
uns sicherlich vertraut. Bei Einsteins Überlegungen bleibt die
Zeit nicht außen
vor. Zu Länge, Breite und Höhe kommt die Zeit also als vierte
Dimension hinzu.
Raum und Zeit sind nicht mehr voneinander unabhängig. Auf diesem
Weg gelangen
wir zum so genannten Raum- Zeit- Kontinuum, zur "Raumzeit".
Zu den bedeutenden Erkenntnissen von Einstein gehören die
Äquivalenz (
Gleichwertigkeit ) von Masse und Energie, die spezielle
Relativitätstheorie und
die allgemeine Relativitätstheorie. Die Ergebnisse der allgemeinen
Relativitätstheorie hat Einstein im Jahre 1916
veröffentlicht. Bei dieser wird
der Einfluss von Gravitationsfeldern und Beschleunigung auf alles
Existierende
mit einbezogen. Wir könnten auch sagen, dass Schwerkraft an allem
zerrt. Die
gewaltige Anziehungskraft eines Sterns kann sogar die Raumzeit strecken
und
krümmen. So wird ein gerader Lichtstrahl gebogen, wenn er an einem
Stern
vorbeiläuft. Der Lichtstrahl verläuft zwar immer noch
geradlinig durch den
Raum, aber der Raum selbst ist gekrümmt! Letzten Endes wird die
Raumzeit von
der Schwerkraft deformiert. Eine Besonderheit Einsteins
ungewöhnlicher Theorien
ist die Beziehung zur Newtonschen Mechanik: Sobald sich nämlich
ein Körper sehr
langsam im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit ( 300.000 Kilometer pro
Sekunde )
bewegt, gelten weiterhin die Gesetze der klassischen Mechanik, gilt
also die
Gravitationstheorie Newtons. Diese gehorcht der alten Euklidischen
Geometrie
und nicht einer modernen Riemannschen Geometrie ( Bernhard Riemann
(
1826-1866 ). Ein Mathematiker, der vor allen
über die
Grundlagen der Geometrie arbeitete.
Es ist einfach nicht zu übersehen, dass die genannten Aussagen
Einsteins der
persönlichen Erfahrung, dem "gesunden" Menschenverstand
widersprechen. Die Vorstellungen Einsteins lösten aber schlagartig
so viele bis
dahin ungelöste Probleme, dass sie relativ schnell von den meisten
Physikern
anerkannt wurden. Mit seinen bahnbrechenden Ideen trug Einstein
entscheidend
zur Entwicklung der modernen Physik bei. Die ersten drei Arbeiten, die
Einstein
auf einen Schlag berühmt machten, verfasste er Mitte 1905 als
Gutachter des
Schweizer Patentamts. Die sich daran anschließende rechtzeitige
äußere
Anerkennung förderte seinen weiteren einmaligen Werdegang
maßgeblich. In wie
weit seine erste Frau, Mileva Maric ( 1875-1948 ) an der
Entstehung
seines Lebenswerks beteiligt war, ist bislang ziemlich unklar geblieben.
Abgesehen von Untersuchungen zur Osmose hat Max Planck ( 1858-1947 )
nicht direkt mit physikalischen Versuchen zu tun gehabt. Dafür hat
er die
Ergebnisse anderer Experimental- Physiker ausgewertet und
interpretiert. Dabei
ging es auch um die Wärmestrahlung eines "schwarzen Körpers".
Um
die Energieverteilung der ausgesandten Strahlung richtig
erklären zu
können, musste Planck ( ganz entgegen der bis dahin gewohnten
Vorstellungen und
ganz entgegen seiner eigenen Vorstellungen ) unstetige Emission von
Strahlung
fordern. Das hieße, Atome nehmen Strahlungsenergie nur
stoßweise in bestimmten
Energieportionen auf oder geben diese nur stoßweise unstetig ab.
Stetig wäre
dieser Vorgang nur, wenn er ohne jeden Sprung abliefe. Planck
errechnete die
Energie eines einzelnen Energiequants. Damit traf er ins Schwarze. Die
in der
Formel "E = h mal f" auftretende Konstante wird ihm zu Ehren das
"Plancksche
Wirkungsquantum" genannt. Das Plancksche Wirkungsquantum gehört zu
den
Naturkonstanten. Plancks Vorstellungen wurden von Physikern aus den
unterschiedlichsten Bereichen aufgegriffen und bestätigt. "Dass
die Natur
Sprünge macht", überraschte selbst die Philosophen. Max
Planck hat anfangs
nicht an diese Tragweite seiner Entdeckung geglaubt. Die
Fortführung der
Planckschen Ideen führte dann zum Ausbau der Quantenmechanik. Mit
der
Quantenmechanik wurde ein neues Zeitalter in der Wissenschaft
eingeleitet.
Stephen Hawking ( geb. 1942 ) erforscht das Entstehen des
Weltalls.
Genau 300 Jahre nach dem Tod von Galilei wurde Hawking in der
englischen
Universitätsstadt Oxford geboren. Im englischen Cambridge (
Universitätsstadt
seit 1229 ) erhält er im Jahre 1979 einen Lehrstuhl, den einst
Newton im 17.
Jahrhundert innehatte. Schwerpunkt von Hawkings Überlegungen sind
die
Phänomene, die im Moment des Urknalls geherrscht haben
sollen. Auch
untersucht er die "Schwarzen Löcher" ( in sich zusammengefallene
Sterne
hoher Dichte ) im Kosmos und die Verformung der Raum-Zeit in der
Umgebung der
Schwarzen Löcher. Trotz eines Nervenleidens besitzt er enorme
Schöpfungskraft.
Durch seine Spekulationen über Raum und Zeit wurde er bekannt. Er
bezweifelt
ein Weltbild, das gemeinhin als " wahr " angenommen wird. Hawking
stellt gängige Vorstellungen in Frage und fordert zu kritischem
Denken heraus.
Er ist dabei, die Weltverhältnisse in der Natur mittels einer
Universaltheorie
neu zu bestimmen.
Stephan Hawking ist der bekannteste Physiker unserer Zeit. Seine Bücher werden von einem interessierten Publikum weltweit gelesen. Der Inhalt der Bücher wird überall diskutiert. Eines seiner populärsten Bücher trägt den Titel "Eine kurze Geschichte der Zeit". Es wurde im Jahre 1988 veröffentlicht und es ist so spannend, dass ich es weitgehend für meine kosmologischen Eroerterungen herangezogen habe. In 2007 veröffentlichte Hawking ein Wissenschafts-Buch für Kinder. Er wurde beim Schreiben von seiner Tochter, einer Journalistin namens Lucy, unterstützt. Das ins Deutsche übersetzte Buch erinnert vom Inhalt her an "Harry Potter" von J. K. Rowling. Die Handlung findet im Weltall statt und ist ganz ohne Magie.
Evolution entspringt dem Lateinischen.
Übersetzt
heißt Evolution einfach nur Entwicklung oder vielleicht
Weiterentwicklung. Aber
unter erdgeschichtlicher und biologischer sowie unter Evolution im
Weltall
verstehen wir heute etwas ganz Spezielles, etwas sehr
Unterschiedliches. James
Hutton ( 1726-1797 ) gehörte zu den ersten Menschen, die
Geologie als
Wissenschaft betrieben. Er beobachtete die langsamen Veränderungen
in der
Landschaft: Flüsse traten ihre Ufer ab, Felsen stürzten ein.
Er behauptete im
Jahre 1785, dass solche Veränderungen seit der Entstehung der Erde
vor sich
gingen. Diese Veränderungen der Erde geschehen seit sehr langer
Zeit und werden
durch natürliche Kräfte hervorgerufen. Sie deuten eine
Weiterentwicklung an.
Jean Baptiste de Lamarck ( 1744-1829 ) bestritt als erster die
so
genannte Unveränderlichkeit der Arten. Er nahm an, dass erworbene
Eigenschaften
als zweckmäßige Antwort auf neue Umwelteinflüsse
vererbbar seien. Auf diese
Weise sollten neue Arten entstehen. Diese Lehre von der Vererbbarkeit
"erworbener" Eigenschaften konnte die Wissenschaft bisher nicht
bestätigen. Dagegen sind die Ergebnisse des Biologen Charles
Darwin (
1809-1882 ) unter Forschern allgemein anerkannt. Auch er
geht von der
Veränderlichkeit der Arten aus. Darwin fand eine neue
Erklärung für die
Entstehung und die Entwicklung von Menschen, Tieren und Pflanzen. Im
Laufe von
Jahrmillionen verändern sich die Lebewesen ununterbrochen, um sich
ihrer
Umgebung anzupassen. Aus einfachen Organismen entstehen demnach hoch
entwickelte Formen. Nach Darwins Anschauung haben sich alle Lebewesen
durch
"Auslese im Kampf ums Dasein" von den niedrigsten zu den höchsten
empor entwickelt. Wer sich besser an die äußeren Bedingungen
anpassen konnte,
hat bessere Überlebenschancen. Für diese Ausführungen
hat Darwin damals ganze
zwanzig Jahre die Natur beobachtet und fleißig Daten
gesammelt. Erst dann
wagte er sich damit an die Öffentlichkeit.
Unser heutiges Bild vom Universum hat Jahrtausende an ernsthafter
Forschung
gebraucht, um sich zu entwickeln. Seit der Antike gibt es astronomische
und
astrophysikalische Beobachtungen und Erfahrungen. Heute hilft uns eine
moderne
Gerätetechnik und Messtechnik bei dieser Aufgabe enorm weiter. Der
Astronom Edwin
Hubble ( 1889-1953 ) bewies mithilfe eines Teleskops von Mount
Wilson (
Kalifornien, USA ), dass es neben unserer Milchstrasse noch viele
andere
Galaxien gibt. Hubble setzte bei seinen Beobachtungen die
Rotverschiebung ein.
So konnte er nachweisen, dass sich die Galaxien von uns wegbewegen. Das
Universum dehnt sich also fortwährend aus. Hubble hat in
jahrelangen
sorgfältigen Erkundungen einige ausgewählte Abschnitte des
Firmaments
untersucht. Dabei hat er den Durchschnittsbetrag der in ihnen
enthaltenen
Materie berechnet. Über diesen Wert gelangte er zur
durchschnittlichen Dichte
im gesamten Universum. Dieser Wert wiederum liefert über Einsteins
Feldgleichungen den Wert für die Krümmung des Weltalls. Jetzt
ist es nur noch
ein weiterer kleiner rechnerischer Schritt, um den Radius des Weltalls
zu
berechnen. Die Wissenschaftler nehmen heute an, dass das Weltall
endlich ist.
Es enthält eine unvorstellbare Menge verdünnter Gase und
erkalteter Massen von
Eisen und Stein. Außerdem sind da noch kosmischer Staub und
unzählige
leuchtende Sterne.
Kosmologische Eroerterungen fuer die 7. bis 10. Klasse.
Kosmologie und Astronomie
Wie kannst Du Dir Zeit und Raum vorstellen? Wie sah wohl das frühe Universum, in dem wir leben, aus? Wie hat sich die Welt im Laufe der Zeit entwickelt? Solche und ähnliche Fragen werden in der Kosmologie gestellt. Das Wissensgebiet Kosmologie geht uns alle an. In der folgenden Darstellung werden wir versuchen, die Grundgedanken über Ursprung und Schicksal des Universums ohne Hilfe der Mathematik zu verstehen.
Sterne, Planeten, Monde, Meteore und Kometen bezeichnen Begriffe aus der Astronomie. Sie beinhalten Teile des Universums. Alles was existiert gehört zum Universum. In der Astronomie werden die Sterne und die anderen Himmelskörper im Weltraum erforscht. Aber die Astronomen beobachten nicht nur, was am Himmel geschieht, sie versuchen auch herauszufinden, wodurch das Universum in Gang gehalten wird. Das gelingt ihnen heute viel besser als in früheren Zeiten. Astronomen erforschen das Universum nicht nur mit den Augen, denn es gibt neben dem sichtbaren Licht noch sehr viele andere Strahlenarten zu untersuchen. Erst diese sorgen für ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge und eine Aufklärung vieler Fragen.
Astronomen
erforschen das Universum mit Hilfe von starken Teleskopen, also
Himmelsfernrohren, und anderen aufwändigen Instrumenten wie
Radio-Teleskopen.
Um den Himmel besser sehen zu können, schicken sie die Instrumente
sogar in den
Weltraum. Dadurch bleibt eine Beeinflussung der Messungen so gering wie
möglich.
Wie alles begann
Am Anfang entstanden Raum, Zeit und Materie. Eine Urkraft wirkte überall und gleichzeitig. Die uns vertrauten physikalischen Kräfte wirkten noch nicht. Alles Sein entstand augenblicklich mit einem gewaltigen Urknall. Ein Grundstoff von unendlicher Temperatur und unendlicher Dichte kennzeichnet den Anfang allen Geschehens. Der gegenseitige Abstand zwischen allen vorhandenen Gebilden dieses Grundstoffs muss zum Zeitpunkt des Urknalls null gewesen sein. An einem Punkt ohne Ausdehnung in der Raumzeit hat die Raumzeitkrümmung den Wert unendlich.
Für
einen derartigen einmaligen Zustand
wird der Begriff "Urknall-Singularität" oder kosmologische
Singularität benutzt. Dieser Begriff "Singularität" tritt
häufig in
der Mathematik auf. Hier weist "Singularität" auf etwas
Unbestimmtes
hin. Zumindest ist der gewohnte Rechenfluss gehemmt.
Die anfänglichen Veränderungen im neuen Universum sind mit den uns bekannten physikalischen Begriffen einfach nicht zu beschreiben. Außerdem geschehen sie außerordentlich schnell.
Zum Zeitpunkt des Urknalls hatte das Universum die Größe Null und war unendlich heiß. Schlagartig mit der Ausdehnung des Universums nimmt seine Temperatur ab. Ein Teil der uns bekannten physikalischen Gesetze wird gültig. Die entstehenden Elementarteilchen wechselwirken miteinander. Unter dem Einfluss der Gravitation entstehen neue kosmische Gebilde.
Heute besteht das Universum hauptsächlich aus "leerem" Raum, in dem die Galaxien verteilt sind. Das Universum dehnt sich aber weiterhin aus.
Lebensphase eines Sterns ( Kurzfassung )
Geburt eines Sterns
Staubwolken und Gaswolken ballen sich zusammen. Durch Kernfusion wird der Materie-Klumpen zu einem glühenden Stern. Die Hitze will den ( in diesem Fall ) mittelgroßen Stern ausdehnen.
Seine
Schwerkraft will ihn
zusammenziehen. Der Stern ist für lange Zeit gleich groß und
gleich hell. Er
ist ein riesiger glühender Gasball, der im Weltraum gemeinsam mit
anderen
Himmelskörpern kreist.
Lebensphase eines Sterns ( Kurzfassung )
Tod eines Sterns
Der Zusammenbruch eines riesigen Sterns ist wie eine gewaltige Atomexplosion und wird Nova oder sogar Supernova genannt. Der Stern kann in unterschiedlichen Formen sein Dasein beenden. Die Überreste einer Supernova können zu einem Pulsar zusammenfallen. Ein Pulsar ist ein schnell rotierender Stern, der hauptsächlich aus Neutronen besteht. Auch kann die Materie schrumpfen, bis alles in einem Punkt unendlicher Dichte - einem Schwarzen Loch - zusammengepresst ist. Ein kleiner Stern kühlt ab und schrumpft zu einem Weißen Zwerg.
Die Neutronensterne haben am Ende nach dem Zusammenfall einen
Durchmesser von
wenigen Kilometern.
Die Weißen Zwerge sind kleiner als die Erde.
Schwarze Löcher sind kosmische Singularitäten, in denen alle Materie verschluckt wird. Sie sind somit ein Ort von unvorstellbar hoher Gravitation.
Vom Urknall zum Kollaps
Wir fragen nach der Beschaffenheit des Universums, seinem Anfang und seinem Ende. Die Theorie beschreibt ein Modell des Universums. Sie ist das Ergebnis unserer wissenschaftlichen Beobachtungen. Eine Theorie existiert aber nur in unserer Vorstellung. Eine Theorie besitzt keine reale Wirklichkeit. Sie ermöglicht aber vielleicht sichere Voraussagen über künftige Erscheinungen. Eine physikalische Theorie ist, wenn sie Ergebnisse von Beobachtungen richtig vorhersagt, eine brauchbare Arbeitshypothese.
Den Verlauf des Universums vom Urknall ( Big Bang ) bis zum Kollaps ( Big Crunch ) kannst Du Dir an Hand der Erde veranschaulichen. Der Abstand vom Nordpol soll einer imaginären Zeit entsprechen. Die Größe eines Kreises mit gleichbleibendem Abstand vom Nordpol gibt die räumliche Ausdehnung des Universums an.
Nach
dieser Vorstellung beginnt das Universum als ein Punkt am Nordpol. Je
weiter
man sich südlich bewegt, desto größer werden die
Breitenkreise mit
gleichbleibendem Abstand vom Nordpol. Die Breitenkreise entsprechen der
Ausdehnung des Universums mit der imaginären Zeit. Wie Du aus der
Abbildung ersehen
kannst, würde das Universum am Äquator seine maximale
Größe erreichen. Mit
fortschreitender imaginärer Zeit könnte sich das Universum am
Südpol wieder zu
einem einzelnen Punkt zusammenziehen. Obwohl die Größe des
Universums am
Nordpol und am Südpol der Erde null wäre, wären die
Punkte in der imaginären
Zeit keine Singularitäten. Die Naturgesetze, also auch die Gesetze
der Physik,
behielten an ihnen ihre Gültigkeit. Genau so wie das am Nordpol
und am Südpol
der Erde der Fall ist.
In der realen Zeit hat das Universum dagegen einen Anfang und ein Ende an den Singularitäten. Diese Singularitäten bilden für die Raumzeit eine Grenze. An dieser Grenze verlieren die Naturgesetze ihre Gültigkeit. Nach diesen Vorstellungen würde sich das Universum also zuerst enorm ausdehnen und sich dann schließlich wieder zu einem Zustand zusammenziehen, der in der realen Zeit wie eine Singularität aussähe. Dort wäre die Raumzeitkrümmung unendlich, Raum und Zeit gleich null, beide wären also verschwunden.
Wie ein Schwarzes Loch entsteht
Ein Stern von großer Masse und großer Dichte hat ein so großes Gravitationsfeld ( Schwerefeld ), dass ihm das Licht nicht mehr entkommt. Alles von der Oberfläche des Sterns abgestrahlte Licht wird von der Schwere des Sterns wieder zurückgezogen, ohne weit zu kommen. Obwohl wir solche Sterne nicht sehen können, weil uns ihr Licht nicht erreicht, lässt sich ihr Vorhandensein jedoch feststellen. Wir können sie durch ihre Massenanziehung nachweisen. Himmelskörper dieser Art bezeichnen wir als "Schwarze Löcher". Schwarze Löcher sind schwarze Leeren im Weltraum. Paradoxerweise glühen sie wie ein heißer Körper und je kleiner sie sind, umso intensiver ist ihre Glut.
Ein Schwarzes Loch entsteht aus einem Stern, wenn dem Stern der "Brennstoff" ausgeht und er anfängt sich abzukühlen. Dabei zieht er sich zusammen. Wenn der schrumpfende Stern schließlich einen bestimmten kritischen Radius erreicht, wird sein Gravitationsfeld an der Oberfläche und auch die Krümmung der Raumzeit nach innen so stark, dass das Licht nicht mehr entweichen kann.
Wenn Licht nicht mehr
entweichen kann, gilt dies auch für alles andere. Alles wird durch
das
Gravitationsfeld des Schwarzen Loches zurückgezogen. Die Grenze
des Schwarzen
Loches wird als "Ereignishorizont" bezeichnet und deckt sich mit der
Bahn der Lichtstrahlen, denen es gerade nicht gelingt, das Schwarze
Loch zu
verlassen.
Stephen Hawking ( 1 ) fand, dass es in einem Schwarzen Loch eine Singularität von unendlicher Dichte und unendlicher Raumzeitkrümmung geben muss. Diese Singularität gleicht weitgehend unserer Vorstellung von einer Singularität beim Urknall am Anfang der Zeit. Eine Singularität bedeutet das Ende der Zeit für den zusammenstürzenden Stern. An solcher Singularität enden die uns bekannten Naturgesetze wie die Gesetze der Physik. Hier endet auch unsere Fähigkeit, Abläufe vorherzusagen.
Der Nachweis Schwarzer Löcher
Schwarze Löcher wurden von den Wissenschaftlern anfangs als ein mathematisches Modell entwickelt. Damit entstand eine von vielen anerkannte in sich widerspruchsfreie Theorie des Schwarzen Lochs. Das war schon zu einer Zeit, bevor irgendwelche Beobachtungen vorlagen, welche die Richtigkeit der Theorie hätten bestätigen können. Das ist zwar nicht einmalig, aber doch ein recht seltener (Glücks-) Fall in der Wissenschaft.
Was hat es aber nun mit den späteren Beobachtungen auf sich, die auf ein Schwarzes Loch schließen lassen? Wie soll man jemals ein Schwarzes Loch erkennen, wo es doch kein Licht aussendet? Schwarze Löcher beeinflussen mit ihrer Gravitation ( Anziehung ) nahe gelegene Objekte! Astronomen kennen zahlreiche Systeme, in denen sich zwei Himmelskörper umkreisen und sich dabei wegen ihrer Schwerkraft gegenseitig anziehen. Es sind aber auch Systeme bekannt, in denen nur ein sichtbarer Stern um einen unsichtbaren Begleiter kreist. In einem solchen Fall könnte es sich um ein Schwarzes Loch handeln.
In unserem Beispiel strahlt eine starke Röntgenquelle aus der Umgebung von Cygnus X-1. Röntgenstrahlen lassen sich durch Astronomen messen. Sie erklären dieses Phänomen damit, dass von der Oberfläche des sichtbaren Sterns Materie weggeblasen wird. Wenn die Materie dann auf den unsichtbaren Begleiter ( Himmelskörper ) fällt, gerät die Materie in spiralförmige Bewegung und wird dabei so heiß, dass sie Röntgenstrahlen aussendet und genau die lassen sich nachweisen.
Entstehung eines Sterns ( Erweiterte Fassung )
Zu Beginn von Raum und Zeit, als die Naturgesetze nach und nach ihre Gültigkeit gewannen, nahm die Evolution im Weltall ihren Lauf. Sterne werden geboren. Sie entstehen in den großen Wolken aus Staub und Gas.
Die Wolken nennen wir
kosmischen Nebel. Dieser Nebel besteht zur Hauptsache aus dem einfachen
Element
Wasserstoff. Die Schwerkraft zieht den Wasserstoff bei der beginnenden
Sternbildung zueinander. Dabei schrumpft die Wolke zu einer Kugel.
Während der
Kontraktion kommt es immer häufiger zu Zusammenstößen
zwischen den
Materieteilchen im gasförmigen Zustand. Das Gas erwärmt sich
stark. Mit der
Zeit steigt die Temperatur innerhalb der schrumpfenden Kugel auf
mehrere
Millionen Grad an. Jetzt verschmelzen die Wasserstoffatome und bilden
das
Element Helium. Leichtere Kerne sind damit zu schweren Kernen
verschmolzen.
Atomkerne eines neuen Elements sind entstanden. Dieser Vorgang, der
Kernfusion
genannt wird, erzeugt ungeheure Mengen an Energie in Form von Licht und
Wärme.
Die große Kugel
aus Materie
besteht aus heißem Gas. Sie leuchtet aus eigener Kraft und
strahlt dabei
Energie in den Weltraum ab. Auf diese Art ist etwa vor 5 Milliarden
Jahren auch
unsre Sonne entstanden. Von nun an befindet sich seine Materie, die aus
vollständig
ionisierten Atomen, einem Ionen-Plasma besteht, im Gleichgewicht. Im
Stern
besteht also ein Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft der Teilchen
und der
infolge der Kernfusion freiwerdenden Hitze. Der neue Stern hat auch
aufgehört
zu schrumpfen. Er leuchtet von nun an gleichmäßig. Das wird
er viele Millionen
Jahre tun, bis ihm der Wasserstoff ausgeht, der ihm all die Jahre als
Brennstoff gedient hat. Bei unserer Sonne wird das allerdings noch etwa
5 Milliarden
Jahre dauern. Deshalb muss uns das nicht weiter beunruhigen.
Ende eines Sterns ( Erweiterte Fassung )
Wenn der Wasserstoffvorrat eines Sterns mit
vergleichbarer
Masse wie der Sonne zu Ende geht, beginnt er unter dem Einfluss seiner
Schwerkraft zusammenzubrechen. Dadurch erhitzt er sich. Sobald er
heiß genug
ist, setzt erneut eine Kernverschmelzung, eine Kernfusion, ein. Durch
die dabei
freigesetzte Energie dehnt sich der Stern extrem aus, etwa um das
Hundertfache
seiner ursprünglichen Größe. Er wird zu einem Roten
Riesen.
Durch diese Veränderung bleibt ein Stern wie
die Sonne eine
Zeitlang ein Roter Riese und schrumpft dann. Er wird immer kleiner und
das von
ihm ausgesandte Licht wird immer weißer, bis er nicht mehr viel
größer ist als
die Erde. Jetzt ist er zu einem Weißen Zwerg geworden. Seine
Materie ist
unglaublich dicht. So würde ein Stück von der
Größe einer Erbse eine Tonne
wiegen. Der Weiße Zwerg verblasst und wird schließlich
unsichtbar.
Anders verhält sich ein Stern, der von seiner Größe deutlich massiver ist als unsere Sonne. Er wird viel größer als ein Roter Riese und entwickelt sich zu einem Superriesen. Auch dieser bricht schließlich in sich zusammen. Dadurch wird so viel Energie freigesetzt, dass es zu einer ungeheuren Explosion kommt. Diese Explosion zerreißt den Stern. Wir nennen die Explosion Nova oder Supernova.
Nach einer Supernova schrumpfen die Reste des Sterns zu einer winzigen Kugel zusammen. Die Kugel besteht aus Kernbausteinen, den Neutronen. Diese Kugel ist noch kleiner und dichter als ein Weißer Zwerg. Manche von ihnen senden während ihrer Rotation Radiowellen aus, die wir als Radioimpulse empfangen. Solche Himmelskörper werden Pulsare genannt.
Sehr massive Sterne schrumpfen noch weiter, bis überhaupt keine Materie mehr vorhanden ist. Die Anziehungskraft solcher Schwarzen Löcher ist so groß, dass sie sogar das Licht und alle Materie "verschlucken".
Schwarze Löcher wurden im Text weiter oben schon ausführlich beschrieben.
Die Suche nach einer einheitlichen Theorie
Die allgemeine Relativitätstheorie Einsteins gibt Einblick in die Struktur von Raum und Zeit. Die Quantenmechanik beinhaltet vor allem das Verhalten der Atome und ihrer Bausteine. Mit der Quantenmechanik verbunden ist die Unschärfe-Relation. Sie liefert die bedeutsame Aussage, dass die Geschwindigkeit und der Ort eines Teilchens nicht beide gleichzeitig genau gemessen werden können.
Denn durch das Messen ( z.B. mit
Licht- oder Elektronenstrahl ) wird das Teilchen beeinflusst und seine
Geschwindigkeit wird verändert. Damit scheint die
Unschärfe-Relation eine typische
Eigenschaft für alle Elementarteilchen zu sein, -- und so eine
elementare
Eigenschaft im gesamten Universum --.
Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt den Aufbau des Universums im Großen. Bei der Quantenmechanik geht es um Bereiche von außerordentlich geringer Ausdehnung. Beide Theorien sind nicht miteinander in Einklang zu bringen!
Die Herausforderung für die Wissenschaft besteht also darin, in der Zukunft statt der beiden Theorien eine einheitliche Theorie zu finden. Dabei gilt es Gesetze zu formulieren, mit denen Ereignisse innerhalb der von der Unschärfe-Relation geschaffenen Grenzen vorhergesagt werden können. Das frühe Universum bietet hier ein geeignetes Forschungsfeld bei der Suche nach einer einheitlichen Theorie. Die einheitliche Theorie müsste natürlich mathematisch widerspruchsfrei sein. Wenn die neue Theorie stets Vorhersagen lieferte, die mit den Beobachtungen übereinstimmen, sollte sie der überwiegende Teil der Wissenschaftler als richtig anerkennen.
Die "Verträglichkeitszone" im Sonnensystem
Der amerikanische Astronom Edwin Hubble bewies im Jahre 1924, dass neben unserer Galaxis, der Milchstraße, noch viele andere existieren. In den ungezählten Galaxien gibt es Planetensysteme, die dem unseren sehr ähnlich sind. Eine ganze Reihe von Rahmenbedingungen müssten aber erfüllt werden, damit dort Leben entsteht. Es müßte sich um einen relativ kleinen, felsigen Himmelskörper mit fester Oberfläche handeln. Eine Atmosphäre müßte vorhanden sein, auch Wasser ist eine Voraussetzung für das uns bekanntes Leben. Auch darf das Klima auf dem Planeten weder zu heiß noch zu kalt sein.
Höheren Lebensformen
schaden große Mengen an starker Strahlung ebenfalls. Innerhalb
unseres
Sonnensystems gibt es eine "Verträglichkeitszone", in der die auf
eine Planetenoberfläche auftreffende Wärmeenergie auch
für organisches Leben
angemessen ist. Diese Zone reicht von der Venus-Bahn bis zur Mars-Bahn
und ist
in der Abbildung deutlich zu erkennen. Unsere Erde liegt natürlich
in diesem
Bereich.
Wenn ein Planet irgendwo innerhalb solch einer Zone kreisen würde, könnte dort Leben entstehen. Hier könnte sich Leben entwickeln und vielleicht auch eine Evolution stattfinden.
Die Entwicklung von intelligentem Leben
In einem Universum, das unendlich im Raum und der Zeit ist, werden die für die Entwicklung eines intelligenten Lebens erforderlichen Bedingungen nur in bestimmten begrenzten Zonen erfüllt sein. Im Sonnensystem dauerte es etwa 10 Milliarden Jahre oder mehr, bis sich intelligente Wesen entwickeln konnten. Es musste sich anfangs eine erste Sternengeneration bilden. Diese Sterne verwandelten einen Teil des ursprünglichen Wasserstoffs und Heliums in schwerere Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff. Aus diesen letztgenannten Elementen bestehen auch wir zur Hauptsache. Die Sterne explodierten als Supernovae, und aus den Überresten entstanden andere Sterne und die Planeten.
Unter diesen bildete sich auch unser Sonnensystem, das etwa 5 Milliarden Jahre alt ist. Das Klima in den ersten ein oder zwei Milliarden Jahre (!) im Leben der Erde war so heiß, dass sich keine komplizierten Strukturen entwickeln konnten. Die restlichen 3 Milliarden Jahre benötigte der lange Prozess der biologischen Evolution. Diese Zeit war nötig, um von den einfachsten Organismen zu Geschöpfen zu gelangen, die fähig sind, sich Gedanken über die Entstehung der Welt zu machen und die Zeit bis zum Urknall zurück zu verfolgen.
Nach der Vorstellung einiger Wissenschaftler sind sogar eine Vielzahl unterschiedlicher Universen mit eigenen Urzuständen denkbar. Dort möge es zur Entwicklung komplizierter Organismen kommen, die entstehen und vergehen. In diesen Regionen könnte es auch Formen intelligenten Lebens geben, die uns gänzlich unvorstellbar wären. Sie sind vielleicht nicht angewiesen auf das Licht eines Sterns wie der Sonne oder auf die schweren chemischen Elemente, die in Sternen produziert und bei deren Explosion in den Weltraum geschleudert werden. So würden Universen entstehen, die zwar sehr schön wären. Sie könnten aber wohl kaum jemand beherbergen, der ihre Schönheit bewundern würde.
Weitere Quellen
( 1 ) Stephen W. Hawking: Eine kurze Geschichte der Zeit. Die Suche nach der Urkraft des Universums. Rowohlt Verlag GmbH, Reinbek bei Hamburg, 1988. ( Aus dem Englischen ).
( 2 ) Robin Kerrod: Mein grosses Buch über die Sterne & Planeten. Neuer Kaiser Verlag, Klagenfurt, 1991. ( Aus dem Englischen ).